[科普中國]-兩器互拍？看嫦娥四號做的三件大事

還記得2013年12月15日，玉兔號踏上月面之后，著陸器的地形地貌相機和月球車玉兔的全景相機的兩器互拍么？

午休之后的玉兔二號于1月10日被喚醒。11日，時隔5年，我們再次看到了著陸器和月球車歷史性的兩器互拍！

據(jù)新華社報道，11日下午，嫦娥四號著陸器與玉兔二號巡視器工作正常，在“鵲橋”中繼星支持下順利完成互拍，地面接收圖像清晰完好，中外科學載荷工作正常，探測數(shù)據(jù)有效下傳，搭載科學實驗項目順利開展，達到工程既定目標，標志著嫦娥四號任務圓滿成功。至此，中國探月工程取得“五戰(zhàn)五捷”。

圖：嫦娥四號著陸器與玉兔二號巡視器互拍（來源：央視）

一、嫦娥四號著陸后的日程安排

2019年1月3日上午10:26，嫦娥四號月球探測器順利著陸在月球背面東經(jīng)177.6°，南緯45.5°的馮·卡門撞擊坑中，成為人類首顆成功軟著陸月球背面的探測器。

1月3日22:22分，月球車“玉兔二號”順利踏上月球背面！它將接替玉兔號月球車，成為“看星星最多的兔子”！

（左上）嫦娥四號降落相機的照片和LROC NAC影像的匹配，來源：LROC/ASU[1]（左下）馮·卡門撞擊坑位置（右）嫦娥四號著陸區(qū)。來源：LROC WAC/NAC/haibaraemily

上圖右邊這個大約3×5公里的區(qū)域，就是小兔子著陸后，在月背的主要活動范圍。

從1月3日22:22分到1月4日晚17:00，嫦娥四號已完成：

著陸器與玉兔二號巡視器（月球車）分離

嫦娥三號釋放月球車玉兔號（左）和嫦娥四號釋放月球車玉兔2號（右），由各自的監(jiān)視相機C拍攝。來源：探月工程

著陸器上的低頻射電頻譜儀的三根5米天線展開到位

著陸器上的德國月表中子及輻射劑量探測儀（LND）開機測試

著陸器上的地形地貌相機拍攝的影像圖陸續(xù)通過中繼星鵲橋傳回地球

玉兔二號與中繼星成功建立獨立數(shù)傳鏈路，完成了環(huán)境感知、路徑規(guī)劃

玉兔二號按計劃在月面行走到達A點，測月雷達、全景相機已開機，工作正常。其他有效載荷陸續(xù)開機。

著陸器監(jiān)視相機C拍攝的行走到A點的玉兔二號。來源：中國探月工程

這里就是玉兔二號的A點了，此前幾天里，嫦娥四號迎來了月晝的高溫考驗。為了應對高溫，玉兔二號選擇擇機進入“午休”模式。小兔子在這里進行了午休。

二、嫦娥四號在月背做的三件大事

嫦娥四號此行主要有三大目標：

1、探測月球背面巡視區(qū)的地形地貌、礦物成分；

2、探測背面巡視區(qū)的淺表層結(jié)構(gòu)；

3、利用月球背面得天獨厚的射電天文環(huán)境展開低頻射電天文觀測。

要完成這些目標，嫦娥四號帶了不少“身懷絕技”的科學儀器。

作為嫦娥三號的備份機，嫦娥四號不管是外形還是攜帶的科學儀器都很大程度上繼承了嫦娥三號，各自都攜帶了8個科學儀器，但根據(jù)實際探測目標和探測環(huán)境的變化對攜帶的科學儀器做出了新的調(diào)整[2-4]。

1. 降落相機（著陸器）：看清降落過程中的月表狀況

降落相機位于著陸器底部，大小116×100×70.4毫米，重約0.5公斤，硬件指標與嫦娥三號的著陸相機相同。

降落相機的主要任務是在著陸器降落過程中獲取不同時段不同高度處降落區(qū)域的地形地貌數(shù)據(jù)，因此會一直垂直指向月表。

嫦娥四號動力下降過程中（左）和軟著陸月背后（右）降落相機拍攝的月面。來源：中國航天科技集團、探月工程

這兩張就是1月3日嫦娥四號降落相機拍攝的月面照片[5]，上一節(jié)介紹的嫦娥四號具體著陸區(qū)范圍就是根據(jù)這些照片判斷的。

由于降落相機只在降落過程中使用，所以它的工作時間非常短，只有幾分鐘。

也就是說，早在1月3日，降落相機就已經(jīng)出色完成了任務！

2**．**地形地貌相機（著陸器）：看清著陸區(qū)附近的地形地貌

地形地貌相機位于著陸器頂部，大小為92×105×118.9毫米，重約0.64公斤，可以拍攝可見光波段下的彩色影像，硬件指標與嫦娥三號的地形地貌相機相同，由中科院光電技術(shù)研究所研制。

地形地貌相機的主要任務是拍攝月球表面和月球車的影像，可以拍攝著陸區(qū)周圍360°的全景照片。

這是當年嫦娥三號的著陸器地形地貌相機在2013年12月20日拍攝的全景照片拼接圖，可以看到自己的太陽能板和一部分組件、遠處的月球車玉兔，以及玉兔留下的車轍。

來源：Chinese Academy of Sciences / Don Davis [6]

2019年1月11日，嫦娥四號的地形地貌相機也給我們帶來這樣壯觀的景色。

“嫦娥四號”著陸器地形地貌相機環(huán)拍全景圖（圓柱投影）（圖片來源：國家航天局）

“嫦娥四號”著陸器地形地貌相機環(huán)拍全景圖（方位投影）（圖片來源：國家航天局）

3**．**低頻射電頻譜儀（著陸器）：開展天文觀測

低頻射電頻譜儀是嫦娥四號為了充分利用月球背面天然無干擾的射電天文環(huán)境而新搭載的儀器，任務是在月球背面進行太陽低頻射電特征和月表射電環(huán)境的觀測，填補0.1-40 MHz范圍內(nèi)的射電觀測空白[1]。

3根5米長的低頻射電頻譜儀天線是為了分別接收電磁波信號的三個相互垂直的分量，這也是嫦娥四號著陸器與3號在外形上最顯著的區(qū)別。

來源：中國探月工程

由于電離層的阻擋，波長10米以上的電磁波幾乎完全無法穿透大氣來到地球表面，想要對這類以及波長更長的低頻電磁波進行觀測，就必須離開地球大氣層——月球背面就是一個極佳的觀測場所。

地球大氣的電磁波窗口。來源：維基

事實上，除了地球電離層的干擾，月球背面的低頻射電觀測還能有效屏蔽人類活動的干擾——10米以上在天文上是所謂的超長波（低頻），但在人類社會活動看來卻屬于“短波”（“高頻”）段，這可是民用無線電廣播的主要頻段。

另一方面，著陸器上搭載的低頻射電頻譜儀還會與鵲橋中繼衛(wèi)星上攜帶的荷蘭研發(fā)的低頻射電探測儀（NCLE）（0.1-80 MHz）協(xié)同觀測，互為驗證和補充。

4**．**月表中子及輻射劑量探測儀[德]（著陸器）：探測月表輻射劑量

與德國基爾大學合作研制，搭載在著陸器上，目標是測量月表包括帶電粒子、γ射線和中子的綜合粒子輻射劑量和LET譜，以及月表快中子能譜、熱中子通量等參數(shù)。

兩個盒子分別是月表中子及輻射劑量探測儀的傳感頭和電子單元。來源：[7]

測這些可以做什么呢？最直接的目的可以實地探測月球表面的輻射劑量。

人類想要探索太空，就必須要保護自己免于各種空間輻射的傷害，那首先我們就得知道不同地方的輻射劑量有多大。

近地軌道上的輻射劑量可以由空間站的宇航員直接測量，那月球的呢？目前為止只有兩個探測器進行過測量——印度月船1號上的輻射劑量檢測儀（RADOM，不過這個儀器并不是印度自己的，而是保加利亞科學院研制和搭載的）和NASA月球勘測軌道飛行器（LRO）搭載的宇宙射線望遠鏡（CRaTER），但這兩個探測器都只是測量了環(huán)月軌道（距離月球表面分別為100公里和50公里高度）上的輻射劑量。

迄今為止，我們還沒有對月球表面的輻射（包括一次輻射和二次輻射）進行過實地探測[7]——這正是嫦娥四號將要做的。也就是說，嫦娥四號將首次測量月球表面的各種粒子輻射劑量，為未來載人登月的安全活動和月表綜合粒子輻射模型修正提供數(shù)據(jù)支持。

除了測量月表輻射之外，對熱中子的測量還能幫助我們估算著陸區(qū)淺表層的水含量（實際探測的是氫，注意這里的水也是各種形態(tài)的水的統(tǒng)稱，可能是水冰，也可能是羥基）。不過需要注意的是，這里的“探測水”和探測月球極區(qū)永久陰影區(qū)中的可能暴露的水冰完全不是一回事——極區(qū)永久陰影區(qū)通常分布在南北緯70度以上的極區(qū)，而馮·卡門撞擊坑僅僅在中緯度（南緯45度）而已，離永久陰影區(qū)還遠得很吶。

5全景相機（巡視器）：拍攝月球車沿途情況

巡視器（月球車）上搭載了2臺全景相機，大小90×110×120毫米，總重約0.69公斤。嫦娥四號上搭載的全景相機與嫦娥三號上的全景相機是“雙胞胎”，是當年制造嫦娥三號的時候由中科院西安光機所同時研制生產(chǎn)的。

全景相機安裝在月球車的桅桿上，可以實現(xiàn)對月球車沿途不同測區(qū)的360°黑白和彩色成像，還能通過2臺相機對目標進行立體成像。

這是當年嫦娥三號的月球車玉兔在N205點拍攝的全景照片拼接圖，可以看到自己的低頻測月雷達天線、自己碾過的車轍，以及遠處的著陸器。來源：[7]

6紅外成像光譜儀（巡視器）：分析月表礦物成分

紅外成像光譜儀位于月球車前側(cè)，大小255×172×162毫米，重約4.69公斤，有可見光近紅外（450-950納米）和近紅外短波紅外（900-2400納米）兩個通道，硬件指標與嫦娥三號的紅外光譜儀大致相同，由上海技物所研制生產(chǎn)。

紅外成像光譜儀主要是通過測量目標區(qū)域的光譜，通過光譜中的吸收特征來探測月球車沿途有哪些礦物，分布是什么樣的。由于嫦娥四號月球車不再攜帶粒子激發(fā)X射線譜儀（因此也就不需要機器臂了），紅外成像光譜儀就成了嫦娥四號上唯一一臺器上可以進行化學成分分析的儀器。

7測月雷達（巡視器）：探測月球淺表層結(jié)構(gòu)

由中科院電子所研制，通過主動發(fā)射和接收電磁波信號來探測月球車沿途地下的淺表層結(jié)構(gòu)剖面，例如月壤厚度、月殼淺層結(jié)構(gòu)等，幫助我們追溯巡視區(qū)所在區(qū)域的地質(zhì)歷史。

測月雷達的主要原理是不同物質(zhì)的介電常數(shù)（可以簡單理解為讓電磁波衰減的能力）不同，因此探測器收到的從不同物質(zhì)分界面反射回來的電磁波的時間和強度就會不同。那么反過來，通過測量到的雷達接收時間和反射強度，就可以反推這些雷達信號穿過了哪些不同的物質(zhì)，每層物質(zhì)有多厚。

測月雷達的工作原理。來源：IECAS

嫦娥四號和三號一樣，搭載了2個不同頻率的測月雷達，為的是兼顧探測深度和探測分辨率：

低頻測月雷達（第一通道）天線位于月球車后部，中心頻率40~80 MHz，分辨率較低（米級），但可以探測較深的地下結(jié)構(gòu)（≥100米）；

高頻測月雷達（第二通道）天線位于月球車底部，中心頻率250-750 MHz，分辨率較高（≤30厘米），但只能探測較淺的地下結(jié)構(gòu)（≥30米）。

紅色箭頭所指的就是2根低頻測月雷達天線，高頻測月雷達是蝶形天線，安置在月球車底部。改編自：中國航天科技集團

8中性原子探測儀[瑞典]（巡視器）：探測太陽風和月壤的相互作用機制

與瑞典空間物理研究所合作研制，搭載在月球車上。目標是測量月球車沿途0.01-10 keV能量范圍內(nèi)的能量中性原子和正離子，幫助我們了解太陽風是如何與月壤是相互作用的。

嫦娥四號月球車搭載的中性原子探測儀。來源：IRF[8]

不同于有磁場保護的地球，太陽風里的帶電粒子會長驅(qū)直入直接打到月球表面，反射和濺射出能量中性原子（Energetic neutral atom，簡稱ENA）和其他粒子。

印度的月船1號探測器曾經(jīng)用由歐空局研制的亞千電子伏原子反射分析儀（SARA）進行過相關(guān)觀測，還通過這些探測結(jié)果研究了月球區(qū)域性的磁異常。

但月船1號的初步探測結(jié)果留下了兩個謎團[8, 9]：1）月船1號只在距月面100公里的環(huán)月軌道上進行了探測，但月球表面的情況是怎樣的？2）月船1號的探測結(jié)果顯示，太陽風打到月壤上之后，有高達20%的太陽風質(zhì)子以高能中性原子的形式反射出來，這個比例遠高于之前的理論估計，實際情況真的是這樣嗎？

這些都是嫦娥4號打算探測和試圖解開的問題，這些探測將幫助我們進一步了解太陽風和月壤的相互作用機制。

這也將是人類首次在月球表面進行中性原子探測。

9科普載荷（著陸器）：種土豆、養(yǎng)果蠅

除了上面8個科學載荷之外，本次嫦娥四號任務還攜帶了重慶大學研制的科普載荷——月面微型生態(tài)圈。這是一個由特殊鋁合金材料制成的圓柱形“罐子”，高18厘米，直徑16厘米，凈容積約0.8升，總重量3公斤，安置在著陸器上。

“罐子”里將放置馬鈴薯種子、擬南芥種子、果蠅、土壤、水、空氣以及照相機和信息傳輸系統(tǒng)等科研設(shè)備，觀察和驗證動植物在月面太陽自然光照和低重力條件下的生長狀況。

月面微型生態(tài)圈初樣件。來源：重慶大學

參考資料：

[1] LROC | On the Farside!

http://lroc.sese.asu.edu/posts/1084

[2] 吳偉仁, 王瓊, 唐玉華, 于國斌, 劉繼忠, & 張瑋等. (2017). "嫦娥四號"月球背面軟著陸任務設(shè)計. 深空探測學報, 4(2), 111-117.

[3] 賈瑛卓, 鄒永廖, 薛長斌, 平勁松, 嚴俊, & 寧遠明. (2018). 嫦娥四號任務科學目標和有效載荷配置. 空間科學學報, 38(1), 118-130.

[4] Jia, Y., Zou, Y., Ping, J., Xue, C., Yan, J., & Ning, Y. (2018). The scientific objectives and payloads of Chang’E？ 4 mission. Planetary and Space Science.

[5] 嫦娥四號探測器傳回近距離拍攝的月背影像圖

http://www.xinhuanet.com/photo/2019-01/03/c_1123942441.htm

[6] http://www.planetary.org/multimedia/space-images/earth/panoramic-view-around-change3-don-davis.html

[7] http://www.ieap.uni-kiel.de/et/people/wimmer/2017-04-03-LND-review.pdf

[8]http://impact.colorado.edu/dap/talks/martin_wieser_dap-2017.pdf

（本文中標明來源的圖片均已獲得授權(quán)）